MOST网络是由唯一的网络主节点和多个网络从节点所组成的环型同步网络。车载信息娱乐系统的MOST网络架构示意图如 图1所示。

图1

Fig.1

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	图1 车载信息娱乐系统的MOST网络架构示意图Fig.1 Schematic diagram of in-vehicle information system with MOST network architecture

为了实现对睡眠唤醒功能的支持,各网络节点除必备的外部主控制器(External host controller,EHC)、智能网络接口控制器(Intelligent network interface controller,INIC)和外围电路以外,还应具备由ECL模块、电压转换和电源分配模块所组成的电源管理模块。其中,INIC负责网络帧的收发;ECL模块则通过MPM85000芯片实现了串行数字脉冲在ECL上的收发。

1.1 网络主节点的硬件设计

网络主节点的EHC和电源管理模块连接常电(KL30),且EHC和ECL模块支持低功耗工作模式^{[ 4]}。在网络唤醒过程中,其EHC负责对外部唤醒事件的响应。在接收到外部唤醒事件后,EHC从低功耗工作模式转换到正常工作模式,使能电压转换模块;唤醒ECL模块;恢复INIC和外围电路的供电。在供电恢复后,EHC初始化软硬件设置;通过I2C接口控制ECL模块发送ECL网络唤醒脉冲。

当网络主节点准备进入睡眠状态时,在通知各网络从节点进入网络关闭阶段后,其将停止网络帧的发送。此后,EHC禁止使能电压转换模块;停止INIC与外围电路的供电;EHC与ECL模块从正常工作模式进入低功耗工作模式。MOST网络主节点的硬件设计如 图2(a)所示。

图2

Fig.2

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	图2 MOST网络主、从节点的硬件设计Fig.2 Hardware design of MOST network master and slave

MOST网络的唤醒过程可分为节点唤醒、网络开启和网络初始化3个阶段。在节点唤醒阶段,网络中唯一的电源管理主节点(Power master,PM)负责唤醒全体网络节点;在网络开启阶段,网络中唯一的时间主节点(Timing master,TM)通过发送带有系统同步时钟的网络帧负责网络的开启和同步;而在初始化阶段,网络中唯一的网络管理主节点(Network master,NM)通过网络系统扫描负责网络地址资源的分配和网络状态的管理^{[ 5]}。MOST规范3.0规定,网络主节点应集成PM、TM和NM的功能。MOST网络的ECL唤醒过程中,相关定时器时序设计如 图3所示,相关定时器定义如 表1所示。

图3

Fig.3

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	图3 MOST网络的ECL唤醒过程中相关定时器的时序设计Fig.3 Time sequence design for relative timers during the ECL wakeup process of MOST network

(1)当网络主节点的EHC接收到外部唤醒事件时,网络唤醒过程进入节点唤醒阶段。网络主节点的EHC由低功耗模式转换到正常工作模式后,使能电压转换模块和ECL模块;恢复INIC和外围电路的供电。在供电恢复后,网络主节点的EHC初始化软硬件设置;启动定时器 t_{PM_init}。

(2)当定时器 t_{PM_init}到期时,网络主节点开始发送持续 t_EWU的ECL网络唤醒脉冲,并启动定时器 t_Attached。各网络从节点的ECL模块则在其接收到ECL脉冲信号的下降沿后,使能电压转换模块;恢复EHC、INIC和外围电路的供电。在供电恢复后,各网络从节点的EHC初始化软硬件设置;启动定时器 t_Attached;并继续接收ECL脉冲信号。在 t_{ECL_Detect}时限内,各网络从节点应确保其EHC均可通过I2C接口接收ECL模块所接收到的ECL脉冲信号。

(3)从其EHC可通过I2C接口接收ECL模块所接收到的ECL脉冲信号开始,各网络从节点启动计时器 t_{ECL_Delta}。直到EHC检测到ECL脉冲信号的上升沿时,计时器 t_{ECL_Delta}停止。在ECL网络唤醒脉冲结束之前,网络主节点的外部主控制器接口(External host controller interface,EHCI)需转换为Attached状态,网络接口(Network interface,NI)需转换为NetOff状态。

(4)在ECL脉冲信号的接收结束时,各网络从节点启动定时器 t_QualTime。在定时器 t_QualTime到期前,各网络从节点需完成ECL脉冲信号是否为网络唤醒脉冲的验证,并将EHCI转换为Protected状态,NI需转换为NetOff状态。满足如下关系的ECL脉冲信号为ECL网络唤醒脉冲:

tECL_Delta=tEWU-tECL_Detect1

(5)当定时器 t_QualTime到期时,若网络从节点所接收到的ECL脉冲信号为ECL网络唤醒脉冲,则网络唤醒过程进入网络开启阶段,否则进入ECU休眠阶段。在网络开启阶段,全体网络节点均启动定时器 t_lock和 t_Config,网络主节点开始发送网络帧。在定时器 t_lock到期前,各网络从节点的EHCI需转换为Semi-Protected状态,全体网络节点的NI需转换为Init状态。

(6)在定时器 t_lock到规定时间后,定时器 t_Config到期前, 全体网络节点的NI需转换为NetOn状态,网络进入locked状态。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 MOST网络ECL唤醒过程的相关定时器定义 Table 1 Relative timer definition during the ECL wakeup process of MOST network 定时器名称 描述 取值 tPM_init/ms 网络主节点从接收到外部唤醒事件到开始发送ECL网络唤醒脉冲所需的最长时间 200 tEWU/ms ECL网络唤醒脉冲应持续的时间 80 tECL_Detect/ms 各网络从节点从其的ECL模块接收到ECL脉冲信号到其的EHC可接收该信号所需的最长时间 30 tECL_Delta/ms 各网络从节点有效接收ECL脉冲信号的时间 - tQualTime/ms 各网络从节点验证ECL脉冲信号是否为ECL网络唤醒脉冲所需的最长时间 40 tlock/ms 各网络节点的NI从Init状态转换为NetOn状态所需的最短时间 100 tConfig/s 从网络启动到各网络节点的NI转换为NetOn状态,网络处于locked状态所需的最长时间 2 tAttached/s 各网络从节点的EHCI转换为Attached状态所需的最长时间 3

表1 MOST网络ECL唤醒过程的相关定时器定义 Table 1 Relative timer definition during the ECL wakeup process of MOST network

(7)当定时器 t_Config到期时,若网络仍处于unlocked状态,则其将重新开始ECL网络唤醒过程。在定时器 t_Attached到期前,各网络从节点的EHCI需转换为Attached状态。

(8)在定时器 t_Attached到期后,网络唤醒过程进入网络初始化阶段^{[ 6]}。若仍有网络从节点的EHCI尚未转换为Attached状态,则网络将进入系统测试过程^{[ 7]}。

MOST网络的睡眠过程可分为设备关闭、网络关闭和ECU休眠3个阶段。在网络主节点启动网络睡眠过程后,各网络节点停止与外围电路功能相关的网络通信,保存音频和视频信道的配置信息^{[ 8]},而其NI仍处于NetOn状态。当网络主节点接收到外部睡眠事件之后,MOST网络的睡眠过程进入网络关闭阶段。此时MOST网络中消息的交互情况如 图4所示,相关定时器的定义如 表2所示。

图4

Fig.4

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	图4 网络关闭阶段MOST网络中的消息交互情况Fig.4 Message exchange during network shutdown of MOST network

(1)网络主节点向各网络从节点广播请求关闭网络的消息NetBlock.Shutdown.Start(Query),并启动定时器 t_WaitSuspend。

(2)若存在网络从节点暂时无法关闭网络的情况,则其向网络主节点发送延迟关闭网络的消息NetBlock.Shutdown.Start(Suspend)。网络主节点启动定时器 t_{RetryShutdown},待其到期之后,重新执行步骤(1)。

(3)若不存在无法关闭网络的网络从节点,则在定时器 t_WaitSuspend到期后,网络主节点向各网络从节点广播执行关闭网络的消息NetBlock.Shutdown.Start(Execute),并启动定时器 t_ShutDownWait。各网络从节点在接收到该消息后,启动定时器 t_{SlaveShutDown}。

(4)在定时器 t_ShutDownWait到期后,网络主节点通过调用INIC API函数INIC.NWShutDown.StartResult停止网络帧的发送,网络由Activity状态转换为No Activity状态。各网络节点启动定时器 t_{PwrSwitchOffDelay},其NI由NetOn状态转换为NetOff状态。若在定时器 t_{SlaveShutDown}到期后,存在网络从节点的NI未转换为NetOff状态,其将通过调用INIC API函数INIC.NWShutdown.StartResult强行关闭INIC的网络端口。

(5)在定时器 t_{PwrSwitchOffDelay}到规定时间后,MOST网络的睡眠过程进入ECU休眠阶段。各网络节点禁止使能电源转换模块,停止EHC、INIC和外围电路供电,ECL接口模块从正常工作模式进入低功耗工作模式。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 网络关闭阶段的相关定时器定义 Table 2 Relative timer definition during network shutdown of MOST network 定时器名称 取值/s 描述 tWaitSuspend 2 网络主节点广播请求关闭网络的消息后,等待执行关闭网络消息的时间 tRetryShutdown 10 网络主节点从接收到延迟关闭网络的消息开始到再次广播请求关闭网络消息的等待时间 tShutDownWait 2 网络主节点广播执行关闭网络的消息后,等待执行关闭网络的时间 tSlaveShutDown 16 各网络从节点从接收到执行关闭网络的消息开始到关闭NI所需的最长时间 tPwrSwitchOffDelay 20 网络从节点从执行网络关闭开始到进入ECU休眠阶段所需的最长时间

表2 网络关闭阶段的相关定时器定义 Table 2 Relative timer definition during network shutdown of MOST network

在MOST50网络的实际应用中,娱乐主机为网络主节点,数字电视、网关、后座娱乐主机和功放为网络从节点,全体节点均支持网络的睡眠唤醒功能。以下将通过MOST网络分析仪Optolyzer^{[ 9]}和I2C总线分析仪所记录的娱乐主机与后座娱乐主机内部各模块间的I2C通信,以及娱乐主机与后座娱乐主机间的消息交互,检验本文所提出的MOST网络的睡眠唤醒方案的有效性。

4.1 网络唤醒的实现

从娱乐主机接收到外部唤醒事件到其ECL网络唤醒脉冲发送完毕为止,通过I2C总线分析仪所记录的娱乐主机的EHC与ECL模块间的通信Ⅰ,如 图5所示,后座娱乐主机的EHC与ECL模块间的通信如 图6所示。

图5中,消息①为娱乐主机在被外部唤醒事件唤醒后,其ECL模块所发送的第一条消息;消息②中的(08,05,02)表示娱乐主机的EHC通知ECL模块发送ECL网络唤醒脉冲的下降沿;消息③中的(08,05,01)表示娱乐主机的EHC通知ECL模块发送ECL网络唤醒脉冲的上升沿;消息④为后座娱乐主机在接收到ECL脉冲信号后,其ECL模块所发送的第一条消息。消息①与消息②间的时间间隔为 t_{PM_init},其取值为30 ms;消息②与消息③间的时间间隔为 t_EWU,其取值为83 ms;消息②与消息④间的时间间隔为 t_{ECL_Detect},其取值为20 ms。

从娱乐主机开始发送ECL网络唤醒脉冲到其开始发送网络帧为止,通过I2C总线分析仪所记录的娱乐主机的EHC与ECL模块间的通信Ⅱ如 图7所示,娱乐主机的EHC与INIC间的通信Ⅰ如 图8所示。

图7和 图8中,消息①与消息③间的时间间隔为 t_EWU;消息②表示娱乐主机的EHCI在ECL

图5

Fig.5

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	图5 娱乐主机的EHC与ECL模块间的通信ⅠFig.5 Communication Ⅰ between EHC and ECL module in entertainment host

图6

Fig.6

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	图6 后座娱乐主机的EHC与ECL模块间的通信Fig.6 Communication between EHC and ECL module in rear system of entertainment

图7

Fig.7

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	图7 娱乐主机的EHC与ECL模块间的通信ⅡFig.7 Communication Ⅱ between EHC and ECL module in entertainment host

图8

Fig.8

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	图8 娱乐主机的EHC与INIC间的通信ⅠFig.8 Communication Ⅰ between EHC and INIC in entertainment host

网络唤醒脉冲发送完毕前转换为Attached状态;消息④表示娱乐主机的EHC通知INIC开启网络;消息③与消息④间的时间间隔为 t_QualTime,其取值为38 ms。

从娱乐主机开始发送网络帧到各网络节点的NI转换为NetOn状态,网络处于locked状态为止。通过I2C总线分析仪所记录的娱乐主机的EHC与INIC间的通信Ⅱ如 图9所示;后座娱乐主机的EHC与INIC间的通信如 图10所示。

图9和 图10中,消息①表示后座娱乐主机的EHCI转换为Protected状态;消息②表示娱乐主机的EHC通知INIC开启网络,由此可知后座娱乐主机的EHCI在定时器 t_QualTime到期前转换为Protected状态;消息③和消息④分别表示娱乐主机和后座娱乐主机的NI转换为Init状态;由消息②与消息③、消息②与消息④间的时间间隔可知全体网络节点的NI均在定时器 t_lock到期前转换为Init状态;消息⑤表示后座娱乐主机的EHCI转换为Semi-Protected状态;由消息②与消息⑤间的时间间隔可知后座娱乐主机的EHCI在定时器 t_lock到规定时间前转换为Semi-Protected状态;消息⑥和消息⑦分别表示娱乐主机和后座娱乐主机的NI转换为NetOn状态;消息⑧和消息⑨分别表示娱乐主机和后座娱乐主机进入locked状态,由此可知全体网络节点的NI均在定时器 t_Config到期前转换为NetOn状态, MOST网络进入locked状态。

图9

Fig.9

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	图9 娱乐主机的EHC与INIC间的通信ⅡFig.9 Communication Ⅱ between EHC and INIC in entertainment host

图10

Fig.10

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	图10 后座娱乐主机的EHC与INIC间的通信Fig.10 Communication between EHC and INIC in rear system of entertainment

从娱乐主机开始发送ECL网络唤醒脉冲到各后座娱乐主机的EHCI转换为Attached状态为止,通过I2C总线分析仪所记录的后座娱乐主机的EHC与INIC间的通信如 图11所示。

图11中,消息①表示娱乐主机的EHC通知ECL模块发送ECL网络唤醒脉冲的下降沿;消息②表示后座娱乐主机的EHCI转换为Attached状态;由消息①与消息②间的时间间隔可知后座娱乐主机的EHCI在定时器 t_Attached到期前转换为Attached状态。

图11

Fig.11

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	图11 后座娱乐主机的EHC与INIC间的通信Fig.11 Communication between EHC and INIC in rear system of entertainment

4.2 网络关闭阶段的实现

通过Optolyzer所记录网络的正常关闭过程和延迟关闭过程的消息交互如 图12所示。

图12(a)中,消息①为娱乐主机所发送的请求网络关闭的消息;消息②为娱乐主机所发送执行网络关闭的消息;消息③表示网络关闭阶段结束后,网络处于unlocked状态。消息①与消息②间的时间间隔为 t_WaitSuspend,其取值为2001 ms;消息②与消息③间的时间间隔为 t_ShutDownWait,其取值为2001 ms。

图12

Fig.12

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	图12 网络关闭阶段MOST网络中的消息交互情况Fig.12 Message exchange during network shutdown

图12(b)中,消息①为娱乐主机首次发送的请求网络关闭的消息;消息②为后座娱乐主机所发送的延迟网络关闭的消息;消息③为娱乐主机再次发送的请求网络关闭的消息。消息②与消息③间的时间间隔为 t_{RetryShutdown},其取值为10 005 ms。

设计并实现了支持睡眠唤醒功能的MOST网络节点,并在其所组成的网络中验证了所提出的MOST网络的睡眠唤醒方案的有效性。研究内容进一步完善了MOST网络车载应用的解决方案,为其产业化和商业推广提供了可靠保证。